Введение к работе
Актуальность проблемы. Поглощение эластомерами и полимерными гелями низкомолекулярных жидкостей часто сопровождается значительным набуханием материала и представляет собой два совместно протекавших и взаимосвязанных процесса - деформирования полимерной матрицы и диффузии жидкости. Процессы деформирования и взаимодействие механических и концентрационных полей в таких системах имеет существенно нелинейный характер, и для их описания требуются теоретические модели, основанные на точных соотношениях нелинейной механики упруго деформируемого континуума, позволяющие рассматривать процессы массопере-носа на фоне произвольных деформаций упругой матрицы с'-'учетом нелинейности физических свойств материала.
Общие принципы конструирования нелинейных моделей массо-переноса в упруго деформируемых средах и первые теории были развиты Трусделлом, Грином и Нахди еще в 60-х годах. Но они оказались мало приспособлены для приложений и не нашли сколько нибудь заметного применения для описания конкретных объектов, и в настоящее время механодиффуэионные явления в эластомерах при больших деформациях полимерной матрицы является наименее изученной областью механики и,физикохимии полимеров;
Практически не исследован такой важный аспект явления набухания эластомеров, как влияние на диффузионную кинетику напряженно деформированного состояния полимерной матрицы, порождаемого диффузией жидкости. Не изучен механизм так " называемых аномалий сорбции, то есть тех экспериментально' наблюдаемых отклонений кинетических кривых набухания эластомеров от закона нормальной сорбции.
Работа выполнена согласно планам научно-исследовательских работ Института технической химии УрО РАН по темам: "Разработка физико-химических основ регулирования важнейших свойств полимерных материалов путем оптимизации химического строения и компонентного состава пластификаторов С№ ГР 186.0038.824), "Разработка научных основ и методов прогнозирования вязкоупру-гих свойств сшитых эластомеров в условиях массопереноса" С* ГР 01.91.00.17.697).
Цельи работы является изучение закономерностей механодиф-фузионных процессов в эластомерах и включает в себя разработку эффективной в приложениях теоретической модели механодиффузии, основанную на точных.соотношениях нелинейной механики упруго
деформируемого континуума; теоретическое и экспериментальное исследование процессов набухания эластомеров и влияния напряженно деформированного состояния материала на диффузионную кинетику процесса; установление причины и механизма аномального Снефиковского) поведения кинетики набухания эластомеров в низкомолекулярных жидкостях.
Методика выполнения исследований. Нелинейная теория меха-нодиффуэии получена из общих принципов нелинейной механики и неравновесной термодинамики. Теоретическое исследование меха-нодиффузионных процессов проводилось на основе достаточно простых но содержательных математических моделей, которые последовательно выводились из общей теории. Получаемые теоретические выводы многократно проверялись экспериментально в опытах по набуханию на эластомерах различной химической природы.
Научная новизна работы состоит в следулцем:
предложена физически и геометрически нелинейная теория ме-ханодиффузионных процессов переноса низкомолекулярных жидкостей в высокоэластичных средах, позволяющая эффективно формулировать конкретные механодиффузионные задачи в интерпретировать экспериментальные данные;
построено теоретическое описание процессов набухания эластомеров и полимерных гелей на основе точных соотношений нелинейной механики упруго деформируемого континуума;
решены задачи о набухании свободного и скрепленного с неде-формируемой подложкой плоских слоев эластомеров;
теоретически и экспериментально установлена зависимость диффузионной кинетики набухания от условий механического нагру-жения эластомеров;
обнаружена возможность существования принципиально различных режимов свободного набухания эластомеров и установлена их связь с механодиффузнойными свойствами материала;
установлены причины и механизм аномальной сорбции при набухании эластомеров в низкомолекулярных жидкостях;
разработан новый метод определения диффузионных и термодинамических свойств эластомеров и полимерных гелей по данным сорбцианного эксперимента.
Практическая ценность. Предложенная в работе нелинейная теория механодиффузии может быть использована для оценки работоспособности эластоиерных материалов и изделий, предназначенных для работы в физически агрессивных средах. В практическом
отношении представляют интерес результаты, касающиеся процессов набухания эластомеров в низкомолекулярных жидкостях. Полученные решения позволяет не только объяснить механизм аномальной сорбции, но и предложить новые методы исследования диффузионных и термодинамических свойств эластомеров с помощью сорбционного эксперимента.
Апробация. Результаты работы докладывались на меадународ- ; ной конференции "Rubber-94" (Москва, 19943. Первой Уральской конференции "Полиуретаны и технологии их переработки" СПермь, 1995), Шестой международной конференции по химии и физикохимни олигомеров (Казань, 1997), Международной конференции "Перспективные химические технологии и материалы" (Пермь, 1997), Второй Уральской конференции "Наукоемкие полимеры и двойные технологии технической химии" (Пермь, 19973, на семинаре под руководством профессора М, И. Шлиомиса в Институте механики сплош- " них сред УрО РАН.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в работах [1-6].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы (139 названий). Она содержит 151 страниц машинописного текста, в том числе 14 рисунков и 8 таблицы.